CN107839260B - 碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复工艺及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置，包括电极、给压组件、供电组件；电极包括立式点压上、下电极和卧式滚压上、下电极；立式点压上、下电极与构件接触部套设陶瓷压环；下电极固定，给压组件驱动上电极向下移动并给予构件恒定压力；卧式滚压上、下电极保持角速度相同方向相反的自转运动，构件在卧式滚压上、下电极沿构件上下表面滚动时，与构件产生滚动摩擦，并与构件发生相对移动；供电组件在内置电源及变压器的协同作用下能够调节电流大小，并针对不同尺寸、材料的超混杂复合层板构件变化电流参数。本发明具有能耗低、方法简单易实施、修复周期短等优势，大大节约了复合材料的修复成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复工艺及其装置，属于复合材料损伤修复技术领域。
背景技术
作为承力构件，超混杂复合层板在其服役阶段不可避免地受到冲击及交变载荷而产生损伤失效，主要包括基体开裂、界面脱粘、纤维断裂及分层。目前，纤维增强超混杂复合层板构件的损伤修复工艺主要存在以下几种：1、通过剥离去除单个损伤层片，并添加替换层片使层状复合材料恢复性能。如文献号为CN103358660A的中国专利文献所述的用于修复复杂的层状复合材料的工艺。2、在缺陷补强区涂刷层间粘胶剂并铺设碳纤维布，用不锈钢薄带紧固后固化修复。如文献号为CN102464861A的中国专利文献公开的一种修复管道碳纤维复合材料体系及应用。3、将特制补片与层压复合材料叠层后铰孔并安装钛合金螺栓进行紧固修复。如专利文献号为CN106226393A的中国专利文献公开的一种层压板复合材料结构分层损伤修复方法。
第1种方法为挖补法，其缺点是进一步损伤了复合层板的层间性能且工艺复杂条件要求苛刻。第2种方法为胶接贴补法，其缺点是严重影响了构件的外观尺寸，不能应用于外观覆盖件及对流线型有要求的构件。第3种方法为机械连接修补法，其缺点是破坏了纤维的连续性且螺栓连接处易产生电化学腐蚀及应力腐蚀从而造成进一步损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种多层金属薄板与连续碳纤维增强热塑性树脂基复合层板的交替叠层构件，相比较于传统的热固性玻璃纤维增强复合材料，该超混杂复合层板结构凭借碳纤维超高的比强度和比刚度以及热塑性树脂优异的抗冲击、断裂韧性耐和腐蚀性能。
本发明采取以下技术方案：
一种碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置，包括电极、给压组件、供电组件；所述电极包括立式点压上、下电极和卧式滚压上、下电极；所述立式点压上、下电极与构件接触部套设陶瓷压环；所述下电极固定，给压组件驱动上电极向下移动并给予构件恒定压力；所述卧式滚压上、下电极保持角速度相同方向相反的自转运动，构件在卧式滚压上、下电极沿构件上下表面滚动时，与构件产生滚动摩擦，并与构件发生相对移动；所述供电组件在内置电源及变压器的协同作用下能够调节电流大小，并针对不同尺寸、材料的超混杂复合层板构件变化电流参数；所述立式点压上、下电极针对复合层板构件中的小区域损伤部位，陶瓷压环用于平衡压力及保证构件的尺寸要求；所述卧式滚压上、下电极针对复合层板构件中的大区域损伤部位及形状较为复杂的曲率构件。
本技术方案在焦耳热原理的基础上充分利用碳纤维高导电性能和热塑性树脂受热软化、冷却硬化的可重复加工性能实现了损伤超混杂复合层板构件熔融自愈的修复能力。对损伤构件修复过程中，根据焦耳定律：Q＝I2Rt，电流通过具体损伤部位时由于此处电阻较大从而释放出大量热量，热塑性树脂基体吸收大量热量后达到熔点并软化，在压力作用下降温后重新固化。界面脱粘及分层损伤中的被破坏界面得以固化重塑，基体开裂损伤中的裂缝伴随着基体的熔融状态下的流动愈合得以消除，纤维断裂拔出所形成的孔洞被熔融状态下的树脂基体流动填充，有效避免了各类损伤中裂纹进一步扩展从而导致的毁灭性破坏。
整个修复过程中，恒定压力是不可避免的，预压过程中，压力保证了损伤部位剥离界面的充分贴合，以防过大间隙带来的绝缘性阻断了修复电流。修复及降温过程中，压力能有效提高纤维在热塑性树脂中的浸润性和金属面板与复合材料层的层间强度，同时避免了缩孔和裂纹缺陷的产生保证了整体构件的力学性能。
采用卧式滚压修复电极时，构件的修复进给速度需尽量放慢以保证损伤部位的树脂基体能够充分熔融并固化。采用立式点压修复电极时，鉴于电极与构件接触面积小，压力作用下易在构件表面产生凹坑影响外观尺寸，因此需在上下电极与构件接触端部套上陶瓷压环，用以平衡压力并稳定构件。
进一步的，所述立式点压上、下电极呈圆柱体状，所述陶瓷压环呈圆环状。
进一步的，所述卧式滚压上、下电极7、8呈圆柱体状。
一种上述的碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置的修复工艺，包括以下步骤：
S1、通过超声波检测确定超混杂复合层板构件的损伤部位及范围大小，并做出相应标记以便修复；
S2、根据构件形状及损伤区域大小选用相应修复电极，并安装至构件损伤部位；
S3、给压组件工作，上电极对构件损伤部位进行预压操作；
S4、给压组件持续工作的同时打开电源，调节至合适电流进行超混杂复合层板构件的修复工作；
S5、关闭电源停止放热，给压组件继续工作至构件达到室温，修复完成，释放压力取出构件。
进一步的，步骤S1中，损伤的超混杂复合层板构件中金属层是0.1mm-0.5mm的钛合金、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢薄板中的一种，复合材料层是0.1mm-0.5mm的碳纤维增强的聚醚醚酮基、聚丙烯基、尼龙基、聚碳酸酯基，这些热塑性树脂基预浸料中的一种，损伤模式分为基体开裂、界面脱粘、纤维断裂及分层。
进一步的，上下电极初始安装位置需尽量靠近损伤区域的边缘位置，且步骤S2中，电极选择规则为：A)构件为形状较为复杂的单曲率构件时选用卧式滚压修复电极，构件为复杂的多曲率构件时选用立式点压修复电极；B)损伤区域小于400mm2时，选用立式点压修复电极，损伤区域大于400mm2时选用卧式滚压修复电极；规则B)与规则A)相悖时，规则B)服从规则A)。
进一步的，步骤S3中，给压组件所提供的压力施加于上电极，并应尽量保证损伤部位充分贴合，预压压力取决于热塑性树脂基体的固化压力。
进一步的，步骤S4中，调节电流的大小及通电放热时间取决于损伤修复区域的大小和热塑性树脂基体的熔点高低。
进一步的，步骤S5中，修复完毕后的高温超混杂复合层板构件采用空冷或水冷的方式降至室温。
本发明的有益效果在于：
1)相对于传统胶接贴片修补法需整体加热的苛刻要求，本修复工艺仅在损伤处产热修复，具有能耗低的优势。
2)无需添加修补材料或针对损伤部位进行机械加工，构件内部自身熔融愈合，极大地降低了修补成本，并保证了超混杂复合层板构件的外观尺寸及流线型要求。
3)充分利用热塑性树脂受热软化、冷却硬化的可重复加工性能，迅速放热快速固化，大大减少了超混杂复合层板构件的修复周期，效率倍增。
4)修复装置结构简单，便携，修复工艺方便易实施，提高了在恶劣环境下施工的有效性。
5)该工艺不仅有效避免了损伤在超混杂复合层板构件中的进一步扩散，还最大化地恢复了其损伤前的基本力学性能。
6)尤其适合在航空航天承力构件、船舶、轨道交通及汽车制造等领域进行应用，推广前景广阔。
附图说明
图1是本发明碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置立式点压修复模式示意图。
图2是本发明碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置卧式滚压修复模式示意图。
图3是超混杂复合层板构件中的分层损伤修复机理示意图。
图4是超混杂复合层板构件中的基体开裂损伤修复机理示意图。
图5是超混杂复合层板构件中的纤维断裂损伤修复机理示意图。
图中，1.金属薄层，2.陶瓷压环，3.立式点压上电极，4.供电装置，5.立式点压下电极，6.碳纤维增强热塑性树脂基复合材料层，7.卧式滚压上电极，8.卧式滚压下电极，9.单曲率弯曲超混杂复合层板构件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
一种碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置，包括电极、给压组件、供电组件；所述电极包括立式点压上、下电极和卧式滚压上、下电极；所述立式点压上、下电极与构件接触部套设陶瓷压环；所述下电极固定，给压组件驱动上电极向下移动并给予构件恒定压力；所述卧式滚压上、下电极保持角速度相同方向相反的自转运动，构件在卧式滚压上、下电极沿构件上下表面滚动时，与构件产生滚动摩擦，并与构件发生相对移动；所述供电组件在内置电源及变压器的协同作用下能够调节电流大小，并针对不同尺寸、材料的超混杂复合层板构件变化电流参数；所述立式点压上、下电极针对复合层板构件中的小区域损伤部位，陶瓷压环用于平衡压力及保证构件的尺寸要求；所述卧式滚压上、下电极针对复合层板构件中的大区域损伤部位及形状较为复杂的曲率构件。
一种铝合金/碳纤维增强聚丙烯基复合材料层压板制车用底盘盖板的损伤修复工艺，包括以下方法步骤：
第一步，通过超声波检测确定该超混杂复合层板底盘盖板的损伤部位及范围大小，并做出相应标记以便修复；
第二步，鉴于该车用底盘盖板为平板构件且损伤区域较小，故选用立式点压修复电极进行修复，并将上下电极安装至步骤一中所标记出构件损伤部位的一侧边缘处；
第三步，给压组件工作，下电极保持固定，上电极对构件损伤部位进行预压操作，预压压力设置为0.5Mpa；
第四步，给压组件持续提供压强为0.5MPa的压力，打开电源，调节至合适电流，确保损伤部位快速放热，使得聚丙烯树脂呈熔融状态愈合损伤部位以进行超混杂复合层板构件的修复工作；
第五步，待损伤修复部位温度达到170℃时关闭电源停止放热，车用底盘盖板损伤部位冷却至室温后，给压组件释放压力停止工作；
第六步，移动上下修复电极至下一个损伤部位重复步骤二至步骤五的操作，待损伤区域全部修复完毕后取出底盘盖板，完成修复；
实施例2：
碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置同实施例一。
一种钛合金/碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料层压板制车用底盘盖板的损伤修复工艺，包括以下方法步骤：
第一步，通过超声波检测确定该超混杂复合层板底盘盖板的损伤部位及范围大小，并做出相应标记以便修复；
第二步，鉴于该车用底盘盖板为平板构件且损伤区域较小，故选用立式点压修复电极进行修复，并将上下电极安装至步骤一中所标记出构件损伤部位的一侧边缘处；
第三步，给压组件工作，下点压电极保持固定，上点压电极对构件损伤部位进行预压操作，预压压力设置为0.6Mpa；
第四步，给压组件持续提供压强为0.6MPa的压力，打开电源，调节至合适电流，确保损伤部位快速放热，使得聚醚醚酮树脂呈熔融状态愈合损伤部位以进行超混杂复合层板构件的修复工作；
第五步，待损伤修复部位温度达到390℃时关闭电源停止放热，车用底盘盖板修复部位冷却至室温后，给压组件释放压力停止工作；
第六步，移动上下修复电极至下一个损伤部位重复步骤二至步骤五的操作，待损伤区域全部修复完毕后取出底盘盖板，完成修复；
实施例3：
碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置同实施例一。
一种铝合金/碳纤维增强聚丙烯基复合材料层压板制机翼前缘的损伤修复工艺，包括以下方法步骤：
第一步，通过超声波检测确定该超混杂复合层板机翼前缘的损伤部位及范围大小，并做出相应标记以便修复；
第二步，鉴于该机翼前缘为单曲率弯曲构件且损伤区域较大，故选用卧式滚压修复电极进行修复，并将上下滚压电极安装至步骤一中所标记出构件损伤部位的一侧边缘处；
第三步，给压组件工作，下点压电极保持固定，上点压电极对构件损伤部位进行预压操作，预压压力设置为0.5Mpa；
第四步，给压组件持续提供压强为0.5MPa的压力，打开电源，调节至合适电流，确保损伤部位快速放热，同时上下滚压电极开始角速度相同方向相反的自转运动驱动超混杂机翼前缘构件不断进给，使得聚丙烯树脂呈熔融状态愈合损伤部位以进行该构件的修复工作；
第五步，待损伤修复部位温度达到170℃时关闭电源停止放热，机翼前缘修复部位冷却至室温后，给压组件释放压力，上下滚压电极停止转动；
第六步，移动上下修复电极至下一个损伤部位重复步骤二至步骤五的操作，待损伤区域全部修复完毕后取出机翼前缘，完成修复；
实施例4：
一种钛合金/碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料层压板制机翼前缘的损伤修复工艺，包括以下方法步骤：
第一步，通过超声波检测确定该超混杂复合层板机翼前缘的损伤部位及范围大小，并做出相应标记以便修复；
第二步，鉴于该机翼前缘为单曲率弯曲构件且损伤区域较大，故选用卧式滚压修复电极进行修复，并将上下滚压电极安装至步骤一中所标记出构件损伤部位的一侧边缘处；
第三步，给压组件工作，下点压电极保持固定，上点压电极对构件损伤部位进行预压操作，预压压力设置为0.6Mpa；
第四步，给压组件持续提供压强为0.6MPa的压力，打开电源，调节至合适电流，确保损伤部位快速放热，同时上下滚压电极开始角速度相同方向相反的自转运动驱动超混杂机翼前缘构件不断进给，使得聚醚醚酮树脂呈熔融状态愈合损伤部位以进行该构件的修复工作；
第五步，待损伤修复部位温度达到390℃时关闭电源停止放热，机翼前缘修复部位冷却至室温后，给压组件释放压力，上下滚压电极停止转动；
第六步，移动上下修复电极至下一个损伤部位重复步骤二至步骤五的操作，待损伤区域全部修复完毕后取出机翼前缘，完成修复。
本发明在焦耳热原理的基础上充分利用碳纤维高导电性能和热塑性树脂受热软化、冷却硬化的可重复加工性能实现了损伤超混杂复合层板构件熔融自愈的修复能力。对损伤构件修复过程中，根据焦耳定律：Q＝I2Rt，电流通过具体损伤部位时由于此处电阻较大从而释放出大量热量，热塑性树脂基体吸收大量热量后达到熔点并软化，在压力作用下降温后重新固化。界面脱粘及分层损伤中的被破坏界面得以固化重塑，基体开裂损伤中的裂缝伴随着基体的熔融状态下的流动愈合得以消除，纤维断裂拔出所形成的孔洞被熔融状态下的树脂基体流动填充，有效避免了各类损伤中裂纹进一步扩展从而导致的毁灭性破坏。
整个修复过程中，恒定压力是不可避免的，预压过程中，压力保证了损伤部位剥离界面的充分贴合，以防过大间隙带来的绝缘性阻断了修复电流。修复及降温过程中，压力能有效提高纤维在热塑性树脂中的浸润性和金属面板与复合材料层的层间强度，同时避免了缩孔和裂纹缺陷的产生保证了整体构件的力学性能。
采用卧式滚压修复电极时，构件的修复进给速度需尽量放慢以保证损伤部位的树脂基体能够充分熔融并固化。采用立式点压修复电极时，鉴于电极与构件接触面积小，压力作用下易在构件表面产生凹坑影响外观尺寸，因此需在上下电极与构件接触端部套上陶瓷压环，用以平衡压力并稳定构件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，还可以做出若干变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些改进或变换也应当属于本发明要求保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置，其特征在于：
包括电极、给压组件、供电组件；
所述电极包括立式点压上、下电极(3、5)和卧式滚压上、下电极(7、8)；所述立式点压上、下电极(3、5)与构件接触部套设陶瓷压环(2)；
所述下电极固定，给压组件驱动上电极向下移动并给予构件恒定压力；
所述卧式滚压上、下电极(7、8)保持角速度相同方向相反的自转运动，构件在卧式滚压上、下电极(7、8)沿构件上下表面滚动时，与构件产生滚动摩擦，并与构件发生相对移动；
所述供电组件在内置电源及变压器的协同作用下能够调节电流大小，并针对不同尺寸、材料的超混杂复合层板构件变化电流参数；
所述立式点压上、下电极(3、5)针对复合层板构件中的小区域损伤部位，陶瓷压环(2)用于平衡压力及保证构件的尺寸要求；所述卧式滚压上、下电极(7、8)针对复合层板构件中的大区域损伤部位及形状较为复杂的曲率构件。
2.如权利要求1所述的碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置，其特征在于：所述立式点压上、下电极(3、5)呈圆柱体状，所述陶瓷压环(2)呈圆环状。
3.如权利要求1所述的碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置，其特征在于：所述卧式滚压上、下电极(7、8)呈圆柱体状。
4.一种采用如权利要求1所述的碳纤维增强热塑性超混杂复合层板的损伤修复装置的修复工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过超声波检测确定超混杂复合层板构件的损伤部位及范围大小，并做出相应标记以便修复；
S2、根据构件形状及损伤区域大小选用相应修复电极，并安装至构件损伤部位；
S3、给压组件工作，上电极对构件损伤部位进行预压操作；
S4、给压组件持续工作的同时打开电源，调节至合适电流进行超混杂复合层板构件的修复工作；
S5、关闭电源停止放热，给压组件继续工作至构件达到室温，修复完成，释放压力取出构件。
5.如权利要求4所述的修复工艺，其特征在于，步骤S1中，损伤的超混杂复合层板构件中金属层是0.1mm-0.5mm的钛合金、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢薄板中的一种，复合材料层是0.1mm-0.5mm的碳纤维增强的聚醚醚酮基、聚丙烯基、尼龙基、聚碳酸酯基，这些热塑性树脂基预浸料中的一种，损伤模式分为基体开裂、界面脱粘、纤维断裂及分层。
6.如权利要求4所述的修复工艺，其特征在于：上下电极初始安装位置需尽量靠近损伤区域的边缘位置，且步骤S2中，电极选择规则为：
A)构件为形状较为复杂的单曲率构件时选用卧式滚压修复电极，构件为复杂的多曲率构件时选用立式点压修复电极；
B)损伤区域小于400mm2时，选用立式点压修复电极，损伤区域大于400mm2时选用卧式滚压修复电极；
规则B)与规则A)相悖时，规则B)服从规则A)。
7.如权利要求4所述的修复工艺，其特征在于：步骤S3中，给压组件所提供的压力施加于上电极，并应尽量保证损伤部位充分贴合，预压压力取决于热塑性树脂基体的固化压力。
8.如权利要求4所述的修复工艺，其特征在于：步骤S4中，调节电流的大小及通电放热时间取决于损伤修复区域的大小和热塑性树脂基体的熔点高低。
9.如权利要求4所述的修复工艺，其特征在于：步骤S5中，修复完毕后的高温超混杂复合层板构件采用空冷或水冷的方式降至室温。
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